题目:
在一个串联电路中,电阻R1和R2串联,电压表V并联在R2上,电流表A串联在电路中,电源电压保持不变,R1、R2是定值电阻,两电表示数乘积为P1。用定值电阻R3替换R2后,两电表示数乘积为P2,若P1=P2,则下列判断中可能正确的是:
① R2 < R3 < R1
② R3 < R2 < R1
③ R2 < R1 < R3
④ R3 < R1 < R2
详细解答:
我们参考提供的解答过程,结合题目要求,模仿学生的解题思路,逐步分析。
这是一个串联电路,电源电压\( U = 6 \, \text{V} \)(参考图片),R1和R2串联,电流表A测量总电流,电压表V测量R2的电压。两电表示数乘积为\( P_1 = I_1 \cdot V_2 \)。用R3替换R2后,乘积为\( P_2 = I_2 \cdot V_3 \),且\( P_1 = P_2 \)。我们需判断选项中电阻大小关系。
初始电路(R2 = 1Ω,R1 = 2Ω):
– 总电阻:\( R_1 + R_2 = 2 + 1 = 3 \, \Omega \)。
– 电流:\( I_1 = \frac{U}{R_1 + R_2} = \frac{6}{3} = 2 \, \text{A} \)。
– R2电压:\( V_2 = I_1 \cdot R_2 = 2 \cdot 1 = 2 \, \text{V} \)。
– 乘积:\( P_1 = I_1 \cdot V_2 = 2 \cdot 2 = 4 \)。
替换R3 = 8Ω:
– 总电阻:\( R_1 + R_3 = 2 + 8 = 10 \, \Omega \)。
– 电流:\( I_2 = \frac{6}{10} = 0.6 \, \text{A} \)。
– R3电压:\( V_3 = I_2 \cdot R_3 = 0.6 \cdot 8 = 4.8 \, \text{V} \)。
– 乘积:\( P_2 = I_2 \cdot V_3 = 0.6 \cdot 4.8 = 2.88 \)。
– 比较:\( P_1 = 4 \neq P_2 = 2.88 \),不满足条件。
替换R3 = 4Ω:
– 总电阻:\( R_1 + R_3 = 2 + 4 = 6 \, \Omega \)。
– 电流:\( I_2 = \frac{6}{6} = 1 \, \text{A} \)。
– R3电压:\( V_3 = 1 \cdot 4 = 4 \, \text{V} \)。
– 乘积:\( P_2 = 1 \cdot 4 = 4 \)。
– 比较:\( P_1 = 4 = P_2 = 4 \),条件满足。
– 电阻关系:\( R_2 = 1 < R_1 = 2 < R_3 = 4 \),对应选项③。
根据参考解法,题目给出的具体数值表明,当\( R_3 = 4 \, \Omega \)时,\( P_1 = P_2 \),且电阻关系满足选项③(\( R_2 < R_1 < R_3 \))。我们进一步检查其他选项的可行性:
检查选项①:\( R_2 < R_3 < R_1 \)
– 设\( R_2 = 1 \),\( R_3 = 2 \),\( R_1 = 3 \)。
– 初始:\( I_1 = \frac{6}{1 + 3} = 1.5 \, \text{A} \),\( V_2 = 1.5 \cdot 1 = 1.5 \, \text{V} \),\( P_1 = 1.5 \cdot 1.5 = 2.25 \)。
– 替换:\( I_2 = \frac{6}{3 + 2} = 1.2 \, \text{A} \),\( V_3 = 1.2 \cdot 2 = 2.4 \, \text{V} \),\( P_2 = 1.2 \cdot 2.4 = 2.88 \)。
– \( P_1 \neq P_2 \),选项①不正确。
检查选项②:\( R_3 < R_2 < R_1 \)
– 设\( R_3 = 1 \),\( R_2 = 2 \),\( R_1 = 3 \)。
– 初始:\( I_1 = \frac{6}{3 + 2} = 1.2 \, \text{A} \),\( V_2 = 1.2 \cdot 2 = 2.4 \, \text{V} \),\( P_1 = 1.2 \cdot 2.4 = 2.88 \)。
– 替换:\( I_2 = \frac{6}{3 + 1} = 1.5 \, \text{A} \),\( V_3 = 1.5 \cdot 1 = 1.5 \, \text{V} \),\( P_2 = 1.5 \cdot 1.5 = 2.25 \)。
– \( P_1 \neq P_2 \),选项②不正确。
检查选项④:\( R_3 < R_1 < R_2 \)
– 设\( R_3 = 1 \),\( R_1 = 2 \),\( R_2 = 4 \)。
– 初始:\( I_1 = \frac{6}{2 + 4} = 1 \, \text{A} \),\( V_2 = 1 \cdot 4 = 4 \, \text{V} \),\( P_1 = 1 \cdot 4 = 4 \)。
– 替换:\( I_2 = \frac{6}{2 + 1} = 2 \, \text{A} \),\( V_3 = 2 \cdot 1 = 2 \, \text{V} \),\( P_2 = 2 \cdot 2 = 4 \)。
– \( P_1 = P_2 = 4 \),条件满足。
– 电阻关系:\( R_3 = 1 < R_1 = 2 < R_2 = 4 \),对应选项④。
结论:通过参考解法和数值验证,选项③(\( R_2 = 1 < R_1 = 2 < R_3 = 4 \))和选项④(\( R_3 = 1 < R_1 = 2 < R_2 = 4 \))均满足\( P_1 = P_2 \)。因此,可能正确的选项是: \[ \boxed{\text{③④}} \]
相关知识点复习:
1. 串联电路:总电阻\( R_{\text{总}} = R_1 + R_2 \),电流相等,电压分压。
2. 欧姆定律:\( U = I \cdot R \)。
3. 电表接法:电流表串联,电压表并联。
4. 功率关系:\( P = U \cdot I \),本题中乘积类似功率。
易错提示和拓展:
易错提示:
1. 可能忽略电压表测量分电阻电压,而非总电压。
2. 数值代入时需确保电阻关系符合选项。
3. 直接假设\( R_2 = R_3 \)会忽略不等关系,需验证。
拓展:
– 尝试不同电压值(如12V)验证结论。
– 思考并联电路中类似条件的电阻关系变化。